دقیق‌تر از ساعت اتمی؛ راه‌اندازی اولین ساعت‌های هسته‌ای در جهان
دانشمندان موفق به ساخت نخستین نمونه‌های اولیه ساعت‌های هسته‌ای شدند؛ فناوری نوینی که با دقتی بی‌سابقه در آینده می‌تواند رازهای بنیادی کیهان را آشکار سازد.
با شروع کار نخستین ساعت‌های هسته‌ای جهان، دانش زمان‌سنجی وارد عصری تاریخی شده است که در آن فیزیکدانان با نفوذ به ژرفای هسته اتم، به دنبال ارتقای استانداردهای بنیادین زمان و رمزگشایی از ناشناخته‌های فیزیک نوین هستند.
به گزارش فرارو به نقل از پاپ‌سای، فناوری سنجش زمان رسماً به عصر هسته‌ای خود گام نهاده است. دو گروه مستقل از پژوهشگران، یکی در دانشگاه فنی وین اتریش و دیگری در دانشگاه چینگ‌هوا در پکن چین، موفق به طراحی و پیاده‌سازی نخستین نمونه‌های اولیه از یک ابزار انقلابی به نام «ساعت هسته‌ای» شده‌اند؛ سیستمی پیشرفته که بر پایه ایزوتوپ توریم-۲۲۹ عمل می‌کند.
برخلاف ساعت‌های اتمی مرسوم که تغییرات در ترازهای انرژی الکترون‌های یک اتم را رهگیری می‌کنند، این نسل نوپا بر لیزری متکی است که فرکانس دقیق آن برای تغییر حالت‌های درونی خودِ هسته تنظیم شده است. با توجه به ثبات ذاتی هسته در برابر اختلالات محیطی، فیزیکدانان بر این باورند که این دستاورد مسیر را برای ساخت دقیق‌ترین سیستم‌های زمان‌سنجی تاریخ بشر هموار خواهد کرد.
برای درک اهمیت این تحول شگرف، باید مقیاس‌های کنونی را در نظر گرفت. دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی جهان در حال حاضر خطایی معادل تنها یک ثانیه در هر ۳۰۰ میلیون سال دارند. با این حال، دانشمندان تخمین می‌زنند ساعت‌های هسته‌ای پیشرفته این بازه را به میلیاردها سال ارتقا خواهند داد. این جهش خیره کننده فقط رکوردی آزمایشگاهی نیست؛ بلکه ابزاری ضروری برای پاسخ به برخی از پیچیده‌ترین پرسش‌های فیزیک نظری به شمار می‌رود.
پژوهشگران امیدوارند با استفاده از این دقت اعجاب‌انگیز، ماهیت نامرئی و ناشناخته «ماده تاریک» و تغییرات احتمالی در اصول ثابت فیزیک کیهانی را آشکار کنند. نتایج تفصیلی دستاوردهای این دو گروه علمی در قالب دو مقاله مجزا در تازهترین شماره نشریه معتبر «نیچر» منتشر شده است.
تورستن شوم، استاد دانشگاه فنی وین و از نویسندگان اصلی مقاله، با اشاره به این دستاورد اظهار داشت استفاده مستقیم از هسته اتم به جای خود اتم‌ها، دستیابی به دقتی ذاتاً بسیار فراتر از تمامی سازوکارهای موجود را فراهم می‌آورد.
اکنون این پرسش مطرح است که سازوکار عملکردی ساعت‌های هسته‌ای چیست و تفاوت بنیادین آن‌ها با نسل گذشته در کجاست. شبکه کنونی ساعت‌های اتمی سنگ‌بنای زندگی مدرن است و عملیات سامانه‌های موقعیت‌یاب جهانی (GPS)، هماهنگی ماهواره‌ها، شبکه‌های بانکی بین‌المللی و جریان پیوسته اینترنت را هدایت می‌کند.
در ساعت‌های اتمی متداول، نوسان یک لیزر روی فرکانسی مشخص تنظیم می‌شود تا الکترون را میان دو تراز انرژی جابه‌جا کند. با شمارش این نوسانات، واحد رسمی ثانیه تعریف می‌شود.
اما ساعت هسته‌ای وارد ساختار به مراتب بنیادی‌تری می‌شود و گذارهای درونی هسته را زیر نظر می‌گیرد؛ بخشی از اتم که ده‌ها هزار بار کوچک‌تر از ساختار بیرونی آن است و به همین دلیل، در برابر میدان‌های الکترومغناطیسی سرگردان و نویزهای حرارتی محیطی استواری فوق‌العاده بالاتری دارد.
نفوذ به درون هسته اتم و برانگیختن آن با لیزر معمولاً به انرژی بسیار عظیمی در محدوده پرتوهای ایکس یا گاما نیاز دارد که در فناوری‌های آزمایشگاهی امروز مهارپذیر نیست. اما ایزوتوپ ویژه «توریم-۲۲۹» یک استثنای فوق‌العاده نادر در جهان فیزیک است. تراز انرژی این ایزوتوپ آن‌قدر به یکدیگر نزدیک است که با پرتوهای لیزر فرابنفش استاندارد نیز می‌توان آن را میان دو حالت انرژی جابه‌جا کرد.
پرفسور شوم این رویکرد را بسیار سرراست توصیف می‌کند: شما یک پرتو لیزر دارید و مقداری توریم؛ لیزر حالت انرژی هسته توریم را تغییر می‌دهد و بازخورد این هسته در مقابل، بسامد لیزر را پایدار می‌سازد تا تیک‌تاکی فوق دقیق و خلل‌ناپذیر شکل گیرد. با وجود این پیشرفت تاریخی، ساعت‌های هسته‌ای هنوز برای گرفتن جایگاه مسلط ساعت‌های اتمی به فرصت نیاز دارند.
بلورهای توریم مورد استفاده در پکن و وین طی سال‌ها فرایند حساس آزمایشگاهی کشت داده شدند. داده‌های اولیه حاکی از آن است که نمونه چینی حدود شش برابر پایدارتر از همتای اتریشی عمل می‌کند. در سوی دیگر، نمونه وین نخستین سامانه‌ای به شمار می‌رود که موفق به پایدارسازی فعال خود، درست مانند ساعت‌های اتمی تجاری، شده است. به گفته پرفسور شوم در گفت‌وگو با رسانه‌های بین‌المللی، این همزمانی یک «رقابت جهانی فشرده اما کاملاً دوستانه» را پدید آورده است.
در مرحله فعلی، این پیش‌نمونه‌ها هنوز خطایی حدود یک ثانیه در هر ۳۰ میلیون سال دارند که تقریباً ده برابر کمتر از ساعت‌های سزیومی تعیین‌کننده ثانیه بین‌المللی است. با این حال، کارشناسان اطمینان دارند با بهبود خلوص بلورهای توریم، بهینه‌سازی سامانه‌های اپتیکی و تقویت باریکه‌های لیزر، نسل‌های آتی این ساعت‌ها در آینده‌ای نه چندان دور رقبای کهنه‌کار اتمی خود را پشت سر خواهند گذاشت؛ رقابتی که سرنوشت استانداردهای نوین زمان را در جهان معاصر تعیین خواهد کرد.
